紫外激光遠(yuǎn)心F-theta掃描場鏡及基于該場鏡的光學(xué)掃描系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種紫外激光掃描系統(tǒng)，尤其是設(shè)及一種紫外激光遠(yuǎn)屯、F-theta掃描 場鏡及基于該場鏡的光學(xué)掃描系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著激光加工的不斷發(fā)展，對(duì)激光加工設(shè)備的要求越來越高，不僅體現(xiàn)在加工效 率上，還要求加工出來的線條越來越精細(xì)。波長A=1064nm、532nm的激光已不能滿足相關(guān)加 工要求。為了達(dá)到更加精細(xì)、清晰的加工效果，使用短波紫外激光，可使其聚焦光斑極小，如 下式所示：
[0003] 艾里斑直徑 S = 2.44 X VF#
[0004] 由上式可W看出，在使用相同的F#的掃描場鏡時(shí)，使用激光波長A = 355皿時(shí)，其艾 里斑直徑S比使用1064nm、532nm波長的激光會(huì)更小。因此，使用配備355nm激光的激光加工 設(shè)備，無論是打孔、劃線、還是切割，都會(huì)比配備53化m或者1064nm激光效果更好，線條更精 細(xì)。目前紫外加工主要是用于超精細(xì)打標(biāo)、特殊材料打標(biāo)和精確劃線等。如在食品、醫(yī)藥包 裝材料上打標(biāo)、打微孔，在柔性PCB板上打標(biāo)、切割劃片，對(duì)金屬或非金屬鍛層進(jìn)行去除，在 娃晶圓片上進(jìn)行微孔、盲孔加工等。
[0005] 在使用非遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡進(jìn)行打孔時(shí)，其像方主光線與焦面之間有一定的 傾角，因此加工出來的孔會(huì)有一定的斜度。另外，當(dāng)被加工物件與掃描場鏡有一定的離焦 時(shí)，由于非遠(yuǎn)屯、原因，會(huì)造成額外的崎變，降低了加工位置精度。而遠(yuǎn)屯、F-theta場鏡經(jīng)過特 殊設(shè)計(jì)，通過使鏡頭的出射光瞳在像空間無限遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了聚焦光束的主光線在任何視場角 的情況下都垂直于焦平面。遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡在減小聚焦光斑的崎變和鉆孔角度都有 特殊的優(yōu)勢，因而被廣泛用于精密激光打標(biāo)和鉆孔中，其中一個(gè)典型的應(yīng)用是電子線路板 的鉆孔。專利CN 104375261A中所述的F-theta掃描場鏡，是一款355皿、非遠(yuǎn)屯、掃描場鏡，該 掃描場鏡無法克服上述的非遠(yuǎn)屯、場鏡的缺陷。專利CN 101846790A中所述的F-the化掃描場 鏡，是一款355nm、非遠(yuǎn)屯、的掃描場鏡，該掃描場鏡同樣也無法克服上述的非遠(yuǎn)屯、場鏡的缺 陷。
[0006] 隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)激光加工設(shè)備的要求越來越高，其中，對(duì)激光加 工設(shè)備的加工區(qū)域也要求越來越大。激光加工區(qū)域要增大，增大掃描場鏡的視場是一個(gè)最 主要的方法。增大掃描場鏡的視場，會(huì)導(dǎo)致掃描場鏡所需的光學(xué)鏡片直徑增大，從而鏡片的 制造難度和鏡頭的組裝難度都會(huì)增大，從而導(dǎo)致掃描場鏡的開發(fā)成本急劇上升。由于在遠(yuǎn) 屯、鏡頭中，像方主光線相互平行，且像方主光線與像面在全視場上相互垂直，所W遠(yuǎn)屯、掃描 場鏡的有效口徑至少要與加工區(qū)域尺寸一致，導(dǎo)致組成掃描場鏡的鏡片尺寸增大。因此，在 遠(yuǎn)屯、掃描場鏡中，鏡片加工成本、鏡頭組裝難度的增加尤為明顯。為了降低鏡片加工成本和 鏡頭組裝難度，也為了保證激光加工設(shè)備的加工面積，在鏡頭設(shè)計(jì)中，需要選擇合適的焦 距；同時(shí)，還需要設(shè)計(jì)合理的鏡片面型，W降低鏡片的加工難度，從而使鏡片的精度更容易 保證。專利CN 104375261A中所述的F-theta掃描場鏡，其鏡片巧日鏡片4的兩個(gè)面的曲率半 徑差異很小，加工難度很大，加工精度也難保證，從而導(dǎo)致鏡片加工成本上升，造成場鏡造 價(jià)局昂。
[0007] 激光加工設(shè)備在工作中，被加工物件不可避免會(huì)有一定的離焦和傾斜，如果場鏡 的像散過大，貝陽日工物件的輕微離焦和傾斜就會(huì)導(dǎo)致加工線條精度不夠。尤其是進(jìn)行精細(xì) 打孔的時(shí)候，由于場鏡的像散過大，導(dǎo)致孔不是圓形，有可能是長條形，嚴(yán)重影響加工精度。 因此，場鏡需要有比較小的像散，保證加工物件在一定范圍的離焦和傾斜，不會(huì)對(duì)加工精度 有很大影響。專利CN 104375261A中所述的F-theta掃描場鏡，其最大的像散達(dá)到0.5mm;專 利CN 101846790A中所述的F-theta掃描場鏡，其最大像散達(dá)到0.3mm。運(yùn)種過大的像散都會(huì) 嚴(yán)重降低設(shè)備加工精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種紫外激光遠(yuǎn)屯、 F-theta掃描場鏡及基于該場鏡的光學(xué)掃描系統(tǒng)，該場鏡的工作波長為355nm，該場鏡具有 像散小的特點(diǎn)，能滿足高精度的精細(xì)微加工;而且鏡片加工容易，造價(jià)低廉。
[0009] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案一：
[0011] 一種紫外激光遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡，從激光入射方向開始，包括第一透鏡、第二 透鏡、第=透鏡和第四透鏡，其中所述的第一透鏡為雙凹負(fù)透鏡，第二透鏡為凹面朝向入射 光側(cè)的彎月負(fù)透鏡，第立透鏡為雙凸正透鏡，第四片為雙凸正透鏡。
[0012] 第一透鏡、第二透鏡、第=透鏡和第四透鏡的焦距與掃描場鏡的焦距滿足:-0.6< fVf <-0.4,0.9<f2/^f <2.0,0.8<f3/^f< 1.2,2.0<'4處<2.5,優(yōu)選地，fVf = -0.52^2^ =1.59，f3^ = l .08，f4^ = 2.16,其中，fi為第一透鏡的焦距，f2為第二透鏡的焦距，f3為第 =透鏡的焦距，f4為第四透鏡的焦距，f為掃描場鏡的焦距。
[001引第一透鏡的第一面曲率半徑滿足：-50mm<Ri <-20mm，優(yōu)選地瓜=27.65mm，扣為 第一透鏡的第一面曲率半徑。
[0014] 第一透鏡的兩個(gè)球面Sl和S2，其曲率半徑分別為-27.65mm和322.96mm，Sl距離振 鏡y方向反射鏡的距離do = 20-50mm，第一透鏡的中屯、厚度為3mm，材料為烙石英玻璃，其折 射率為Nd = 1.46，阿貝數(shù)Vd為68;
[0015] 第二透鏡的兩個(gè)球面S3和S4，其曲率半徑分別為-114.02mm和-48.81mm，第二透鏡 的中屯、厚度為18.28mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數(shù)Vd為68;
[0016] 第S透鏡的兩個(gè)球面S5和S6,其曲率半徑分別為478.12mm和-58.95mm，第S透鏡 的中屯、厚度為14.87mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數(shù)Vd為68;
[0017] 第四透鏡的兩個(gè)球面S7和S8,其曲率半徑分別為250.55mm和-182.99mm，第四透鏡 的中屯、厚度為9.74mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數(shù)Vd為68。
[0018] 第一透鏡與第二透鏡之間在光軸上的空氣間隙為2.38mm，第二透鏡與第=透鏡之 間在光軸上的空氣間隙為0.5mm，第S透鏡與第四透鏡之間在光軸上的空氣間隙為0.5mm， 第四透鏡與像面在光軸上的空氣間隙為146mm。
[0019] 所述的掃描場鏡的入射光束波長為355nm。
[0020] 所述的掃描場鏡的全視場內(nèi)像面主光線與像面傾斜角<3°。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)方案二：
[0022] -種基于上述掃描場鏡的光學(xué)掃描系統(tǒng)，從激光入射端開始，該光學(xué)系統(tǒng)包括依 次設(shè)置的擴(kuò)束鏡、振鏡、遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡及像面，振鏡由彼此正交的X方向反射鏡和y 方向反射鏡組成，光束依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、振鏡中的X方向反射鏡和y方向反射鏡，X方向反射 鏡轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使激光光斑在加工物件的X方向上移動(dòng)，y方向反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使激光光斑在加工物 件的y方向上移動(dòng)，最后通過遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡將激光光束聚焦到像面上。
[0023] 第一透鏡距離振鏡的距離為2〇111111-5〇111111，優(yōu)選為35.5111111。
[0024] 優(yōu)選地，該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步包括設(shè)置在第一透鏡的入射光側(cè)的光闊。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明掃描場鏡排布成"-+++"的光焦度分布，使掃描場鏡的出 瞳位于無限遠(yuǎn)處，視場內(nèi)的像方主光線的遠(yuǎn)屯、<3°，掃描場鏡的像散得到良好的校正，小于 0.05mm,而且鏡片加工容易，造價(jià)低廉。
【附圖說明】
[00%]圖1為基于遠(yuǎn)屯、F-the化掃描場鏡的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明的遠(yuǎn)屯、F-the化掃描場鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[00%]圖3為本發(fā)明的遠(yuǎn)屯、F-the化掃描場鏡一優(yōu)選實(shí)施例的光線追跡圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明的遠(yuǎn)屯、F-the化掃描場鏡一優(yōu)選實(shí)施例的像散、場曲及崎變圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明的遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡一優(yōu)選實(shí)施例的視場分別為0、0.3F、0.5F、 0.7FW及1.0F的光程差圖。
[0031] 圖6為本發(fā)明的遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡一優(yōu)選實(shí)施例的視場分別為0、0.3F、0.5F、 0.7FW及1. OF情況上的光學(xué)傳遞函數(shù)圖。
[0032] 圖7為本發(fā)明的遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡一優(yōu)選實(shí)施例的視場分別為0、0.3F、0.5F、 0.7FW及1. OF的衍射能量集中圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034] 實(shí)施例
[0035] 圖1是基于遠(yuǎn)屯、F-theta掃描場鏡的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該光學(xué)系統(tǒng) 可廣泛應(yīng)用于激光打孔、激光打標(biāo)及激光切割中。由激光光源（圖中未畫出）所發(fā)出的光束 依次經(jīng)過擴(kuò)束鏡、振鏡中的兩塊反射鏡，X方向反射鏡和y方向反射鏡，X方向反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì) 使激光